Implementação de um protocolo mesh multi-hop baseado em algoritmo de roteamento geográfico ...

157 Pages·2011·4.68 MB·Portuguese

by  C Cesar Bonifacio

Universidade de São Paulo
Escola de Engenharia de São Carlos

Tatiana Giorgenon Bonifácio

Implementação de um protocolo mesh multi-hop
baseado em algoritmo de roteamento geográfico para
redes de sensores sem fio.

São Carlos
2010
Tatiana Giorgenon Bonifácio

Implementação de um protocolo mesh multi-hop
baseado em algoritmo de roteamento geográfico para
redes de sensores sem fio.

Dissertação apresentada como
parte dos requisitos para obtenção
do titulo de Mestre em Ciências,
Programa de Engenharia Elétrica da
Escola de Engenharia de São
Carlos – Universidade de São Paulo

Área de concentração: Sistemas
Dinâmicos

Orientador:
Prof. Dr. Dennis Brandão

São Carlos
2010
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE
TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO,
PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Ficha catalográfica preparada pela Seção de Tratamento
da Informação do Serviço de Biblioteca – EESC/USP

DEDICATÓRIA

Dedico esta pesquisa aos meus pais, César
e Tânia, meus maiores tutores da vida,
às minhas irmãs, Danielle e Raquel,
minhas maiores amigas, e à Tico,
fonte insubstituível de carinho
e alegria de toda a família.
AGRADECIMENTOS

Aos meus pais, César e Tânia, pelo amor, dedicação e incentivo de todos os dias.
Sem o apoio, o carinho e a paciência de vocês no período do mestrado, o caminho até
aqui teria sido mais difícil. Muito obrigada!
Às minhas irmãs, Danielle e Raquel, pelo amor, amizade eterna e
companheirismo de anos.
Ao Prof. Dr. Dennis Brandão, pela oportunidade de realizar este projeto de
pesquisa em que muito aprendi, pelo apoio e orientação sábia, e pela compreensão e
paciência nos momentos difíceis.
Ao Departamento de Engenharia Elétrica da Escola de Engenharia de São Carlos
– Universidade de São Paulo, pelo suporte ao aluno e a qualidade de ensino indiscutível.
Aos amigos de trabalho, Rodrigo Palucci Pantoni, Adriano Ogata e Maurício C.
Antunes pela amizade, pelo conhecimento compartilhado e colaboração durante este
projeto.
RESUMO

BONIFACIO, T.G. (2010). Implementação de um protocolo mesh multi-hop baseado
em algoritmo de roteamento geográfico para redes de sensores sem fio. 157p.
Dissertação (Mestrado) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São
Paulo, São Paulo, 2010.

As tecnologias de redes sem fio passaram a atender não só às aplicações corporativas
mais sofisticadas como também àquelas envolvendo desde o rastreamento de animais,
monitoramento de estruturas e automação industrial até o gerenciamento de utilidades
urbanas. Este projeto de pesquisa aborda o desenvolvimento de um protocolo de rede
mesh multi-hop segundo a especificação IEEE 802.15.4, com o uso de coordenadas
geográficas de cada nó para o roteamento de dados em aplicações de iluminação
pública. Para o desenvolvimento do protocolo de rede, é considerada a biblioteca de
rotinas de interface de rede denominada Simple MAC (SMAC). Tal biblioteca pode ser
utilizada para a elaboração do protocolo de roteamento geográfico destinado à rede
mesh multi-hop. Paralelamente, propõe-se a descrição de um método a ser adotado para
a inserção do protocolo de roteamento geográfico no SMAC. Os códigos, desenvolvidos
em linguagem de programação C, são portados para a plataforma de desenvolvimento
dos nós de comunicação de um toolkit específico e submetidos a ensaios experimentais.
Os resultados englobam a geração de conhecimento teórico e prático a respeito das
redes de sensores sem fio, bem como o desenvolvimento de um software aberto para
este tipo de rede. As propriedades de auto-organização da rede, robustez e baixa latência
são comprovadas nos ensaios experimentais.

Palavras-chave: SMAC, Simple Mac, protocolo de roteamento, rede de sensores sem
fio, IEEE 802.15.4.
ABSTRACT

GIORGENON BONIFACIO, T.G (2010). Implementation of a multi-hop mesh
protocol based on geographic routing algorithm for wireless sensor networks.
157p. Thesis (Masters) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São
Paulo, São Paulo, 2010.

The technologies of wireless networks have to serve not only the most sophisticated
business applications but also those that involve the tracking of animals, monitoring of
structures, industrial automation and the management of urban utilities. This research
project addresses the development of a protocol for multi-hop mesh network according
to IEEE 802.15.4, with the use of geographical coordinates of each node for routing
data in applications such as street lighting. In order to develop the network protocol, the
routines library of the network interface, called Simple MAC (SMAC), is considered.
This library can be used for establishing the geographic routing protocol destined for the
multi-hop mesh network. In parallel it is proposed to describe a method to be adopted
for the inclusion of geographic routing protocol in SMAC. The codes, developed in C
programming language, are ported to the development platform of communication
nodes of a specific toolkit and subjected to experimental tests. The results include the
generation of theoretical and practical knowledge regarding the wireless sensor
networks, as well as the development of open software for this type of network. The
properties of self-organization of the network, robustness and low latency are proven in
experimental tests.

Keywords: SMAC, Simple MAC, routing protocol, wireless sensor network, IEEE
802.15.4.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 - Artigos citados pelo IEEExplore sobre redes de sensores sem fio ................................ 2
Figura 2 - Áreas de aplicação das tecnologias sem fio ................................................................ 12
Figura 3 - Representação de uma rede de sensores sem fio ...................................................... 13
Figura 4 - Transmissão multi-hop em uma rede de sensores sem fio ........................................ 13
Figura 5 - Hardware básico de um nó sensor .............................................................................. 14
Figura 6 - Topologias comuns de uma RSSF ................................................................................ 20
Figura 7 - A pilha de protocolos de um nó sensor ...................................................................... 21
Figura 8 - Modo de transmissão FHSS ......................................................................................... 23
Figura 9 - Modo de transmissão DSSS ......................................................................................... 24
Figura 10 - Multiplexação por: (a) divisão de freqüência (b) divisão de tempo ......................... 25
Figura 11- Estratégias Greedy Routing ........................................................................................ 29
Figura 12 - Estratégias de encaminhamento de pacotes do GPRS ............................................. 30
Figura 13 - Visão geral das tecnologias sem fio .......................................................................... 34
Figura 14 - Modelo IEEE 802.15.4 ............................................................................................... 37
Figura 15 - Seleção dos canais na presença do IEEE 802.15.4 e IEEE 802.11 .............................. 39
Figura 16 - Exemplo de colisão durante CCA na técnica de controle de acesso ao meio
CSMA/CA sem janela de tempo .................................................................................................. 43
Figura 17 - Exemplo de colisão durante transmissão de ACK na técnica de controle de acesso
ao meio CSMA/CA sem janela de tempo .................................................................................... 43
Figura 18 - Estrutura do superframe utilizado pelo padrão IEEE 802.15.4 ................................. 43
Figura 19 - Algoritmo slotted CSMA/CA- IEEE 802.15.4 .............................................................. 45
Figura 20 - Transferência de dados para o coordenador a) com beacon b) sem beacon ........... 47
Figura 21 - Transferência de dados do coordenador a) com beacon b) sem beacon ................. 48
Figura 22 - Mecanismo de formação da rede definido pelo IEEE 802.15.4 ................................ 48
Figura 23 - Diagrama de bloco do MC1322X ............................................................................... 55
Figura 24 - Diagrama de Blocos do SMAC - MC1322X ................................................................ 57
Figura 25 - Estrutura de pacote SMAC ........................................................................................ 58
Figura 26 - Modelo geral da máquina de estado das mensagens ............................................... 60
Figura 27 - Estrutura de pacote message_t ................................................................................ 63
Figura 28 - Algoritmo Greedy baseado na distância Euclidiana .................................................. 64
Figura 29 - Critério Drop .............................................................................................................. 65
Figura 30 - Quadro Hello ............................................................................................................. 66
Figura 31 - Quadro de dados ....................................................................................................... 67
Figura 32 - Quadro de ackowledgment ....................................................................................... 67
Figura 33 - Declaração dos quadros de mensagens .................................................................... 68
Figura 34 - Tabela de mensagens ................................................................................................ 70
Figura 35 - Formação da tabela de mensagens........................................................................... 71
Figura 36 - Tabela de vizinhos ..................................................................................................... 72
Figura 37 - Formação da Tabela de Vizinhos ............................................................................... 73
Figura 38 - Fluxograma lógico para repasse do pacote de dados ............................................... 75
Figura 39 - Função de roteamento da mensagem ...................................................................... 76
Figura 40 - Tempo de envio de um pacote ................................................................................. 78
Figura 41 - Função enviar mensagem TX .................................................................................... 80
Figura 42 - Função receber mensagem RX .................................................................................. 81
Figura 43 - Representação gráfica do cenário de desenvolvimento - Rede A ............................ 82
Figura 44 - Representação gráfica do cenário de desenvolvimento - Rede B ............................ 83
Figura 45 - Estrutura BeeKit ........................................................................................................ 85
Figura 46 - Software Beekit ......................................................................................................... 86
Figura 47 - Seleção do Codebase SMAC ...................................................................................... 87
Figura 48 - Seleção de projetos: (a) Template SMAC (b) Adição de um novo projeto ............... 87
Figura 49 - (a) Seleção de tipo de hardware (b) Validação do projeto ....................................... 88
Figura 50 - Exportando projeto do Beekit para o IAR – EW. ....................................................... 88
Figura 51 - Exemplo de código SMAC.......................................................................................... 91
Figura 52 - Código fonte generic_app.c ...................................................................................... 92
Figura 53 - Código generic_app.c alterado – Parte 1 .................................................................. 94
Figura 54 - Código generic_app.c alterado – Parte 2 .................................................................. 95
Figura 55 - Código generic_app.c alterado – Parte 3 .................................................................. 96
Figura 56 - Código generic_app.c alterado – Parte 4 .................................................................. 97
Figura 57 - Código generic_app.c alterado – Parte 5 .................................................................. 98
Figura 58 - Analisador de rede .................................................................................................... 99
Figura 59 - Rede de sensores sem fio - A .................................................................................. 101
Figura 60 - Análise quantitativa das mensagens enviadas - Rede A ......................................... 104
Figura 61 - Visão geral das mensagens enviadas ...................................................................... 105
Figura 62 - Tempo entre mensagens para o pacote 0 .............................................................. 106
Figura 63 - Tempo entre o envio de um quadro de dados e de ACK ........................................ 107
Figura 64 - Análise de transmissão do pacote 0 ........................................................................ 108
Figura 65 - Histograma de densidade das mensagens Hello - Rede A ...................................... 109
Figura 66 - Fluxo de mensagens de dados enviadas - Rede A ................................................... 110